Fysikere når næsten undvigende kvantegrundtilstand på det største 'objekt' endnu

Et af LIGOs spejle. (Caltech/MIT/LIGO Lab)

Meget sjældent er noget helt stille. Alt normalt stof i Universet er lavet af brummende partikler, der passer deres egne sager og vibrerer ved deres egne frekvenser.

Hvis vi kan få dem til at bremse så meget som muligt, går materialet ind i det, der er kendt som den bevægelige grundtilstand. I denne tilstand kan fysikere udføre test af kvantemekanik og kvantetyngdekraft og undersøge grænsen til klassisk fysik for at søgefor en måde at forene de to på.

Tidligere er dette blevet udført i nanoskalaen; men nu er det for første gang blevet gjort på et massivt 'objekt' - de kollektive bevægelser af de fire spejle af LIGO gravitationsbølge interferometer, kendt som en optomekanisk oscillator, med en effektiv masse på 10 kg (22 pund).



Værket repræsenterer en ny måde at undersøge kvanteriget på.

'Ingen har nogensinde observeret, hvordan tyngdekraften virker på massive kvantetilstande,' sagde maskiningeniør Vivishek Sudhir fra MIT .

'Vi har demonstreret, hvordan man forbereder objekter i kilogramskala i kvantetilstande. Dette åbner endelig døren til en eksperimentel undersøgelse af, hvordan tyngdekraften kan påvirke store kvanteobjekter, noget man hidtil kun har drømt om.'

At opnå kvantegrundtilstanden for en sky af atomer er ikke let. Du skal afkøle atomet ved at anvende den helt rigtige mængde kraft for at stoppe dets vibrationer. Hvis du ikke køler det nok ned, bliver det bare langsommere; så du skal kende det nøjagtige energiniveau og retningen af ​​atomets vibrationer for at kunne anvende den passende kraft til at stoppe det.

Dette kaldes 'feedback-køling', og på nanoskalaen er det nemmere at gøre, fordi det er nemmere at isolere de mindre grupper af atomer og minimere interferens. Jo større du går, jo sværere bliver det dog at håndtere den interferens.

LIGO er et af de mest præcise instrumenter til måling af finbevægelse. Den er designet til at detektere små krusninger i rum-tid genereret af kollisioner mellem massive objekter op til milliarder af lysår væk.

Den består af et L-formet vakuumkammer med laserlys, der udstråles langs de to 4-kilometer (2,5-mile) tunneler, og sendes til en stråledeler til fire spejle, et i hver ende af hver tunnel. Når rum-tid kruser, forvrænger spejlene lyset og producerer et interferensmønster, som videnskabsmænd kan afkode for at bestemme årsagen. Og det er så følsomt, at det bare kan registrere en ændring en ti tusindedel af en protons bredde eller 10-19meter.

Hvert af LIGOs fire spejle på 40 kilo er ophængt, og det er deres kollektive bevægelse, der udgør oscillatoren. Det balance af spejlene reducerer effektivt 160 kg totalvægt til en enkelt genstand på kun 10 kg.

'LIGO er designet til at måle ledbevægelsen af ​​de fire spejle på 40 kilo,' sagde Sudhir . 'Det viser sig, at du kan kortlægge disse massers fælles bevægelse matematisk og tænke på dem som bevægelsen af ​​et enkelt 10-kilograms objekt.'

Ved præcist at måle bevægelsen af ​​denne oscillator, håbede holdet at regne ud nøjagtigt den hastighed af feedback-køling, der kræves for at inducere bevægelsesgrundtilstanden ... og derefter naturligvis anvende den.

Desværre kaster selve målehandlingen en vis grad af tilfældighed ind i ligningen, hvilket gør det svært at forudsige den slags skub, der skal til for at suge energien ud af spejlets atomer.

For at korrigere for dette, studerede holdet smart hver foton for at estimere aktiviteten af ​​tidligere kollisioner, og opbyggede løbende et mere præcist kort over, hvordan man anvender de korrekte kræfter og opnår afkøling.

Derefter påførte de den beregnede kraft ved hjælp af elektromagneter fastgjort til bagsiden af ​​spejlene.

Det virkede. Oscillatoren holdt op med at bevæge sig, næsten helt. Dens resterende energi svarede til en temperatur på 77 nanokelvin (-273,15 grader Celsius eller -459,67 grader Fahrenheit).

Dens bevægelsesmæssige grundtilstand, 10 nanokelvin, er ekstremt tæt, især i betragtning af stuetemperaturens udgangspunkt. Og 77 nanokelvin er også meget tæt på de temperaturer, der bruges i bevægelsesgrundtilstandsstudier på nanoskalaen.

Desuden åbner det døren til nogle spændende muligheder. Makroskala demonstrationer og målinger af kvantefænomener – og måske endda applikationer til samme.

Men kvantetyngdekraften er den store kicker. Kilogram-masse objekter er mere modtagelige for tyngdekraften; holdets arbejde vækker håb om at bruge dette masseregime til at studere kvanteriget.

'At forberede noget i grundtilstanden er ofte det første skridt til at sætte det i spændende eller eksotiske kvantetilstande,' sagde fysiker Chris Whittle fra MIT og LIGO-samarbejdet .

'Så dette arbejde er spændende, fordi det måske giver os mulighed for at studere nogle af disse andre tilstande i en masseskala, som aldrig er blevet udført før.'

Forskningen er publiceret i Videnskab .

Populære Kategorier: Plads , Fysik , Forklarer , Sundhed , Ukategoriseret , Miljø , Mening , Samfund , Tech , Natur ,

Om Os

Offentliggørelse Af Uafhængige, Beviste Fakta Om Rapporter Om Sundhed, Rum, Natur, Teknologi Og Miljøet.